CN112997010B - 用于在流体交换设备中使用的活塞以及相关设备、系统和方法 - Google Patents

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Abstract

活塞和相关方法可以被配置为分离流体，并至少部分地禁止一个流体从活塞的一侧行进到活塞的另一侧。压力交换设备和系统可以包括这样的活塞。

Description

用于在流体交换设备中使用的活塞以及相关设备、系统和 方法
优先权益
本申请要求于2018年11月9日提交的序列号为62/758,373的美国临时专利申请“Fluid Exchange Devices and Related Controls,Systems,and Methods(流体交换设备和相关控制装置、系统和方法)”的权益，其公开内容通过引用全部并入本文。
技术领域
本公开内容大体涉及用于交换设备的活塞。更具体地，本公开内容的实施方式涉及用于在流体交换设备中使用的活塞以及系统和方法，该设备用于在流体之间交换特性(例如，压力)中的一种或更多种。
背景技术
工业过程往往涉及液压系统，其包括泵、阀、叶轮等。泵、阀和叶轮可以用于控制在液压过程中使用的流体的流。例如，一些泵可以用于增加(例如，增压)液压系统中的压力，其他泵可以用于将流体从一个位置移动到另一位置。一些液压系统包括阀，以控制流体的流向。阀可以包括控制阀、球阀、闸阀、截止阀、止回阀、隔离阀、它们的组合等。
一些工业过程涉及使用腐蚀性流体、磨蚀性流体和/或酸性流体。这些类型的流体可能会增加液压系统的部件上的磨损量。增加的磨损可能导致增加的维护和修理成本，或者需要提前更换器材。例如，磨蚀性、腐蚀性或酸性流体可能会增加泵的内部部件诸如叶轮、轴、叶片、喷嘴等上的磨损。一些泵是可修复的，并且操作可能会选择更换磨损零件来修复磨损泵，这可能会造成磨损泵的停机时间延长，从而造成需要冗余泵或造成生产力下降。其他操作可以更换磨损泵，费用较高但停机时间减少。
石油和天然气行业中的完井作业往往涉及液压压裂(往往被称为压裂或致裂)，以增加岩层中石油和天然气的释放。液压压裂涉及在高压下将含有水、化学物质和支撑剂(例如沙子、陶瓷)的组合的流体(例如致裂流体、压裂流体等)泵送到井中。流体的高压增加了裂缝的大小和裂缝在岩层中的传播，释放出更多的石油和天然气，而支撑剂则在流体减压后防止裂缝闭合。压裂作业使用高压泵来增加压裂流体的压力。然而，压裂流体中的支撑剂由于其磨蚀性增加了高压泵的磨损和维护，并基本上降低了高压泵的运行寿命。
发明内容
不同的实施方式可以包括用于在流体之间交换压力的设备或系统。设备可以包括至少一个罐、在至少一个罐中的至少一个活塞以及阀设备。罐可以包括：清洁侧，用于接收处于较高压力的清洁流体；和污浊侧，用于接收处于较低压力的井下流体(例如，压裂流体，钻探流体)。活塞可以被配置为将清洁流体与井下流体分离，从而至少部分地禁止流体井下流体从污浊侧行进至清洁侧。阀设备可以被配置为选择性地将处于较高压力的清洁流体通过活塞与处于较低压力的井下流体连通，以将井下流体加压至第二较高压力。
另一实施方式可以包括用于在流体之间交换至少一种特性的设备或系统。设备可以包括至少一个罐、在至少一个罐中的至少一个活塞以及阀设备。罐可以包括用于接收具有第一特性的第一流体(例如，清洁流体)的第一端部和用于接收具有第二特性的第二流体(例如，污浊流体)的第二端部。活塞可以被配置为将清洁流体与污浊流体分离，并基本上禁止流体污浊流体从第二侧行进至第一侧。
另一实施方式可以包括用于至少部分地分离至少两个流体流的活塞。活塞可以在上面讨论的设备或系统中实施。活塞包括：本体，该本体具有沿本体轴线延伸的开口，其中该开口限定了通过活塞的流体通路；以及阻塞该开口的至少一个阀。至少一个阀被配置为使流体能够在沿流体通路的一个方向上流动通过开口，并至少部分地抑制流体在沿流体通路的另一相反方向上流动通过开口。
另一实施方式可以包括操作压力交换设备的方法，该方法包括：向阀的高压进口供应高压流体，该阀被配置为将高压流体的流引导至腔室；通过腔室中的活塞将压力从高压流体转移到污浊流体；使高压流体中的一些能够经过活塞；以及基本上禁止污浊流体经过活塞进入高压流体。
附图说明
尽管本说明书随附有特别地指出且明确要求保护被视为本公开内容的实施方式的权利要求书，但根据结合附图阅读时本公开内容的实施方式的下列描述，可以更容易地确定本公开内容的实施方式的不同特征和优点，在附图中：
图1是根据本公开内容的一实施方式的液压压裂系统的示意图；
图2是根据本公开内容的一实施方式的流体交换设备的截面图；
图3A是根据本公开内容的一实施方式的、处于第一位置的控制阀的截面图；
图3B是根据本公开内容的一实施方式的、处于第二位置的控制阀的截面图；
图4是根据本公开内容的一实施方式的活塞的等轴测视图；以及
图5是根据本公开内容的一实施方式的活塞的截面图。
具体实施方式
本文呈现的图示并不意指是任何特定流体交换器或其部件的实际视图，而仅是被采用以描述例示性实施方式的理想化表述。附图不一定是按比例绘制的。附图之间共有的元件可以保留相同的附图标记。
如本文所使用的，关系术语诸如“第一”、“第二”、“顶部”、“底部”等通常是为了清楚且方便地理解本公开内容和附图，并不意指或取决于任何特定的偏好、定向或顺序，除非上下文另有明确指出。
如本文所使用的，术语“和/或”意指并包括一个或更多个相关联的所列项目的任何和所有组合。
如本文所使用的，术语“竖向”和“侧向”是指附图中所描述的定向。
如本文所使用的，涉及给定参数的术语“基本上”或“约”意指并包括在一定程度上本领域技术人员将理解的给定的参数、特性或状况符合较小变化程度，诸如在可接受的制造公差内。例如，基本上符合的参数可以是至少90％符合、至少95％符合、至少99％符合、或者甚至100％符合。
如本文所使用的，术语“流体”可以意指并包括任何类型和成分的流体。流体可以采取液体形式、气体形式或它们的组合，并且在一些情况下可以包括一些固体材料。在一些实施方式中，流体可以在如本文所述的冷却或加热过程期间在液体形式和气体形式之间转换。在一些实施方式中，术语流体包括气体、液体和/或液体与固体的可泵送混合物。
本公开内容的实施方式可以涉及能够用于在流体之间交换一个或更多种特性的交换设备(例如，压力交换器)。这样的交换器(例如，压力交换器)有时被称为“流动功交换器”或“等压设备”，并且是用于将压力能量从相对高压流动的流体系统交换到相对低压流动的流体系统的机器。
在一些工业过程中，在操作的某些部分中需要升高压力以达到预期的结果，之后经加压的流体被减压。在其他过程中，在过程中使用的一些流体在高压下可用，而其他流体在低压下可用，并且期望在这两个流体之间交换压力能量。因此，在一些应用中，如果可以在两个流体之间有效地转移压力，就可以实现经济上的极大改善。
在一些实施方式中，本文公开的交换器可能类似于并包括在1998年8月25日颁发的Shumway的美国专利5,797,429中公开的压力交换器的不同部件和配置，该专利的公开内容通过引用全部并入本文。
尽管本公开内容的一些实施方式被描述为作为两个或更多个流体之间的压力交换器被使用和被采用，但本领域技术人员将理解的是，本公开内容的实施方式可以用于其他实现方式，诸如例如，在一个或更多个流体和/或两个或更多个流体的混合物之间交换其他特性(例如，温度、密度等)和/或成分。
在一些实施方式中，压力交换器可以用于在流体——该流体有可能损坏移动部件(例如，磨蚀性流体、腐蚀性流体、酸性流体等)——需要高压的过程中保护移动部件(例如，泵、阀、叶轮等)。
例如，根据本公开内容的实施方式的压力交换设备可以在与烃有关的过程诸如液压压裂或其他钻探作业(例如，地下井下钻探作业)中实施。
如上所述，石油和天然气行业中的完井作业往往涉及液压压裂、钻探作业、或使用高压泵来增加井下流体(例如，意在被引导到地下地层或井眼中的流体，诸如压裂流体、钻探流体、钻探泥浆)的压力的其他井下作业。这些流体中产生泥浆的支撑剂、化学物质、添加剂等往往会增加高压泵的磨损和维护。
在一些实施方式中，液压压裂系统可以包括液压能量转移系统，该液压能量转移系统在第一流体(例如，清洁流体，诸如部分(例如，大部分)或基本上不含支撑剂的流体或压力交换流体)和第二流体(例如，压裂流体，诸如含支撑剂的流体、磨蚀性流体或污浊流体)之间转移压力。这样的系统可以至少部分地(例如，基本上、主要地、完全地)将高压第一流体与第二污浊流体隔离，同时仍然能够用高压第一流体对第二污浊流体进行加压，而不必使第二污浊流体直接经过泵或其他加压设备。
尽管本文讨论的一些实施方式可能针对压裂作业，但在另外的实施方式中，本文所公开的交换器系统和设备可以用于其他作业。例如，本文所公开的设备、系统和/或方法可以用于其他井下作业，诸如例如，井下钻探作业。另外地，本文所公开的活塞的实施方式可以在任何其他合适的流体处理应用中实施。
图1例示了液压压裂系统100的一实施方式的系统图，该液压压裂系统利用了在第一流体流(例如，清洁流体流)和第二流体流(例如，压裂流体流)之间的压力交换器。尽管没有明确描述，但应该理解的是，系统100的每个部件可以直接连接到或通过流体导管(例如，管道)耦接到相邻的(例如，上游或下游)部件。液压压裂系统100可以包括用于对第一流体流加压的一个或更多个设备，诸如例如，压裂泵102(例如，往复泵、离心泵、涡旋泵等)。系统100可以包括多个压裂泵102，诸如至少两个压裂泵102、至少四个压裂泵102、至少十个压裂泵102、至少十六个压裂泵、或至少二十个压裂泵102。在一些实施方式中，压裂泵102可以从流体源101向压力交换器104提供处于高压的相对且基本上清洁的流体。在一些实施方式中，流体可以分别提供给每个泵102(例如，以并行配置)。在泵102中加压后，高压清洁流体110可以被合并，并且传输到压力交换器104(例如，以串行配置)。
如本文所使用的，“清洁”流体可以描述至少部分地或基本上没有(例如，基本上完全没有或完全没有)通常在井下流体中发现的化学物质和/或支撑剂的流体，以及“污浊”流体可以描述至少部分地含有通常在井下流体中发现的化学物质、其他添加剂和/或支撑剂的流体。
压力交换器104可以将压力从高压清洁流体110传输到低压压裂流体(例如，压裂流体112)，以提供高压压裂流体116。清洁流体在将压力传输给低压压裂流体112之后可以作为低压流体114从压力交换器104排出。在一些实施方式中，低压流体114可以是除了少量可能在压力交换器104中从压裂流体112传到低压流体114的化学物质和/或支撑剂之外，基本上没有化学物质和/或支撑剂的至少部分地或基本上清洁的流体。
在一些实施方式中，压力交换器104可以包括一个或更多个压力交换器设备(例如，并行运行)。在这样的配置中，高压输入可以被分离并提供给压力交换器设备中每一者的输入端。当高压压裂流体离开压力交换器104时，压力交换器设备中的每一者的输出可以被合并。例如，且如下面参考图4所讨论的，压力交换器104可以包括并行运行的两个或更多个(例如，三个)压力交换器设备。如所示的，压力交换器104可以设置在可以相对容易地安装于压裂井现场和从压裂井现场移除的移动平台(例如，卡车拖车)上。
低压清洁流体114在从压力交换器104排出后可以行进至并被收集在混合腔室106(例如，搅拌器单元、混合单元等)中。在一些实施方式中，低压流体114可以在混合腔室106中被转换(例如，修改、转变等)为低压压裂流体112。例如，可以在混合腔室106中向低压清洁流体114添加支撑剂，以形成低压压裂流体112。在一些实施方式中，低压清洁流体114可以作为废弃物排出。
在许多液压压裂作业中，在压裂流体112被排放到井下之前，可以使用单独的过程来加热压裂流体112(例如，以确保压裂流体中支撑剂的适当混配)。在一些实施方式中，使用低压清洁流体114来生产压裂流体112可以省去加热压裂流体的步骤。例如，由于压裂泵102对高压清洁流体110进行加压，低压清洁流体114可能已经处于升高的温度。在将已经被泵102加热的高压清洁流体110中的压力转移后，现在的低压清洁流体114在从压力交换器104传到混合腔室106时保留了至少一部分热能。在一些实施方式中，使用已经处于升高的温度的低压清洁流体114来产生压裂流体可以省去对压裂流体加热的步骤。在其他实施方式中，低压清洁流体114的升高的温度可能会造成压裂流体所需加热量的减少。
在支撑剂被添加到低压流体114之后，现在是压裂流体，低压压裂流体112可以从混合腔室106中被排出。然后，低压压裂流体112可以通过连接(例如，耦接)在混合腔室106和压力交换器104之间的流体导管108在压裂流体端部上进入压力交换器104。进入压力交换器104后，低压压裂流体112可以被通过压力交换器104从高压清洁流体110传输的压力加压。然后，高压压裂流体116可以离开压力交换器104并被传输到井下。
液压压裂系统通常需要用于高压压裂流体116的高操作压力。在一些实施方式中，高压压裂流体116的期望压力可以在约8,000PSI(55,158kPa)至约12,000PSI(82,737kPa)之间，诸如在约9,000PSI(62,052kPa)至约11,000PSI(75,842kPa)之间，或者为约10,000PSI(68,947kPa)。
在一些实施方式中，高压清洁流体110可以被加压到的压力至少基本上相同或略大于高压压裂流体116的期望压力。例如，高压清洁流体110可以被加压到比高压压裂流体116的期望压力高约0PSI(0kPa)至约1000PSI(6,894kPa)之间，诸如比期望压力高约200PSI(1,379kPa)至约700PSI(4,826kPa)之间，或者比期望压力高约400PSI(2,758kPa)至约600PSI(4,137kPa)之间，以考虑到压力和交换过程期间的任何压力损失。
图2例示了压力交换器200的一实施方式。压力交换器200可以是线性压力交换器，就其意义而言，其通过基本上沿着线性路径移动或平移致动组件来操作。例如，致动组件可以线性移动，以选择性地将低压和高压流体至少部分地连通(例如，间接连通，其中高压流体的压力可以转移到低压流体)，如下文详细讨论的。
线性压力交换器200可以包括一个或更多个(例如，两个)腔室202a、202b(例如，罐、收集器、缸、管、管道等)。腔室202a、202b(例如，并行腔室202a、202b)可以包括活塞204a、204b，活塞被配置为基本上维持高压清洁流体210和低压清洁流体214(例如，清洁侧)与高压污浊流体216和低压污浊流体212(例如，污浊侧)分离，同时使相应的流体210、212、214和216之间的压力能够转移。活塞204a、204b的大小(例如，活塞204a、204b的外部直径相对于腔室202a、202b的内部直径)可以被设置成使活塞204a、204b能够行进通过腔室202a、202b，同时使绕活塞204a、204b的流体流最少化。
线性压力交换器200可以包括清洁控制阀206，该清洁控制阀被配置为控制高压清洁流体210和低压清洁流体214的流。腔室202a、202b中的每一者可以包括一个或更多个污浊控制阀207a、207b、208a和208b，污浊控制阀被配置为控制低压污浊流体212和高压污浊流体216的流。
尽管图2的实施方式设想了线性压力交换器200，但其他实施方式可以包括涉及其他机制的其他类型压力交换器，以用于选择性地将低压和高压流体至少部分地连通(例如，转动致动器，如2016年9月6日颁发的美国专利9,435,354中公开的那些，其公开内容通过引用全部并入本文等)。
在一些实施方式中，清洁控制阀206可以选择性地允许(例如，输入、放置等)从高压进口端口302提供的高压清洁流体210进入活塞204a的清洁侧220a上的第一腔室202a，该清洁控制阀包括使一个或更多个阻挡件308沿(例如，线性地沿)阀206的本体205移动的致动杆203。高压清洁流体210可以作用在活塞204a上，使活塞204a在朝向活塞204a的污浊侧221a的方向上移动，并压缩第一腔室202a中的污浊流体，以产生高压污浊流体216。高压污浊流体216可以通过污浊排放控制阀208a(例如，出口阀，高压出口)离开第一腔室202a。基本上在相同时间，低压污浊流体212可以通过污浊填充控制阀207b(例如，进口阀，低压进口)进入第二腔室202b。低压污浊流体212可以作用在活塞204b的污浊侧221b上，使活塞204b在第二腔室202b中在朝向活塞204b的清洁侧220b的方向上移动。当活塞204b在朝向活塞204b的清洁侧220b的方向上移动时，低压清洁流体214可以通过清洁控制阀206排放(例如，排空、排出等)，从而减少第二腔室202b内活塞204b的清洁侧220b上的空间。每个活塞204a、204b移动了相应腔室202a、202b的基本长度(例如，大部分长度)后，压力交换器的一循环(cycle，周期)就完成了(该“循环”可以是活塞204a、204b沿腔室202a、202b的长度在一个方向上移动的半个循环，而完整的循环包括活塞204a、204b沿腔室202a、202b的长度在一个方向上移动，然后在另一方向上移动以返回基本上原来的位置)。在一些实施方式中，只有部分长度可以被利用(例如，在容量减少的情况下)。在一循环完成后，清洁控制阀206的致动杆203可以改变位置，使高压清洁流体210能够进入第二腔室202b，从而将第二腔室202b变为高压腔室且将第一腔室202a变为低压腔室，并重复该过程。
在一些实施方式中，每个腔室202a、202b可以在活塞204a、204b的一侧上具有较高的压力，使活塞在远离较高压力的方向上移动。例如，高压腔室可能经历约8,000PSI(55,158kPa)至约13,000PSI(89,632kPa)之间的压力，其中最高压力在高压清洁流体210中，以使活塞204a、204b移动远离高压清洁流体210，压缩和排放污浊流体，从而产生高压污浊流体216。相对地，低压腔室202a、202b可能经历低得多的压力，其中当前低压腔室202a、202b中的在低压污浊流体212中相对较高的压力仍足以使活塞204a、204b在远离低压污浊流体212的方向上移动，从而排放低压污浊流体214。在一些实施方式中，低压污浊流体212的压力可以在约100PSI(689kPa)至约700PSI(4,826k Pa)之间，例如在约200PSI(1,379kPa)至约500PSI(3,447kPa)之间，或者在约300PSI(2,068kPa)至约400PSI(2,758kPa)之间。
再次参考图1，在一些实施方式中，系统100可以包括可选的设备(例如，泵)，以便在低压污浊流体212被提供到腔室202a、202b中时对其进行加压(例如，加压到适合使活塞204a、204b朝向清洁侧移动的压力水平)。
再次参考图2，如果任何流体从活塞204a、204b旁挤过去(例如，泄漏、漏出等)，一般将倾向于从较高压的流体流向较低压的流体。高压清洁流体210可以被维持处于系统中的最高压力，使得高压清洁流体210一般可以基本上不被污染。低压清洁流体214可以被维持处于系统中的最低压力。因此，低压清洁流体214有可能被低压污浊流体212污染。在一些实施方式中，低压清洁流体214可以用于生产低压污浊流体212，基本上抵消了污染造成的任何损害。同样地，高压清洁流体210对高压污浊流体216的任何污染对高压污浊流体216的影响也将是最小的。
在一些实施方式中，污浊控制阀207a、207b、208a、208b可以是止回阀(例如，瓣阀、逆止阀、回流阀、保持阀或单向阀)。例如，一个或更多个污浊控制阀207a、207b、208a、208b可以是球式止回阀、隔膜式止回阀、摆动式止回阀、倾斜盘式止回阀、拍板阀、截止式止回阀、升降式止回阀、直列式止回阀、鸭嘴阀等。在另外的实施方式中，一个或更多个污浊控制阀207a、207b、208a、208b可以是致动阀(例如，电磁阀、气动阀、液压阀、电子阀等)，其被配置为接收来自控制器的信号并响应于该信号来打开或关闭。
污浊控制阀207a、207b、208a、208b可以被布置为相对的配置，使得当腔室202a、202b处于高压配置时，高压污浊流体打开污浊排放控制阀208a、208b，而腔室202a、202b中的压力使污浊填充控制阀207a、207b保持关闭。例如，污浊排放控制阀208a、208b包括在离开腔室202a、202b的第一方向上打开的止回阀，而污浊填充控制阀207a、207b包括在进入腔室202a、202b的第二相反方向上打开的止回阀。
污浊排放控制阀208a、208b可以连接到下游元件(例如，流体导管、单独或共用的歧管)，使得下游元件中的高压使污浊排放阀208a、208b在处于低压配置的腔室202a、202b中保持关闭。这样的配置使低压污浊流体能够打开污浊填充控制阀207a、207b并进入腔室202a、202b。
图3A和图3B例示了清洁控制阀300的一实施方式在两个不同位置的截面图。在一些实施方式中，清洁控制阀300可以类似于上面讨论的控制阀206。清洁控制阀300可以是多端口阀(例如，4通阀、5通阀、
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阀等)。清洁控制阀300可以具有一个或更多个高压进口端口(例如，一个端口302)、一个或更多个低压出口端口(例如，两个端口304a、304b)和一个或更多个腔室连接端口(例如，两个端口306a、306b)。清洁控制阀300可以包括至少两个阻挡件308(例如，插塞、活塞、盘、阀构件等)。在一些实施方式中，清洁控制阀300可以是线性致动阀。例如，阻挡件308可以被线性致动，使得阻挡件308沿基本上直线(例如，沿清洁控制阀300的纵向轴线L300)移动。
清洁控制阀300可以包括被配置为致动清洁控制阀300的致动器303(例如，与清洁控制阀300的阀杆301耦接的致动器)。在一些实施方式中，致动器303可以是电子的(例如，电磁线圈、齿条和齿轮、滚珠丝杠、分段式主轴、移动式线圈等)、气动的(例如，拉杆式缸，隔膜式致动器等)或液压的。在一些实施方式中，致动器303可以使清洁控制阀300能够以可变速率(例如，改变速度、可调节速度等)移动阀杆301和阻挡件308。
图3A例示了处于第一位置的清洁控制阀300。在第一位置，阻挡件308可以被定位为使得高压清洁流体可以通过高压进口端口302进入清洁控制阀300，并通过腔室连接端口306a离开以进入第一腔室。在第一位置，低压清洁流体可以在腔室连接端口306b和低压出口端口304b之间行进通过清洁控制阀300(例如，可以通过低压出口端口304b离开)。
图3B例示了处于第二位置的清洁控制阀300。在第二位置，阻挡件308可以被定位为使得高压清洁流体可以通过高压进口端口302进入清洁控制阀300，并通过腔室连接端口306b离开以进入第二腔室。低压清洁流体可以在腔室连接端口306a和低压出口端口304a之间行进通过清洁控制阀300(例如，可以通过低压出口端口304a离开)。
现在参考图2、图3A和图3B，清洁控制阀206被例示为处于第一位置，其中高压进口端口302连接至腔室连接端口306a，向第一腔室202a提供高压清洁流体。在循环完成后，清洁控制阀206可以将阻挡件308移动到第二位置，从而通过腔室连接端口306b将高压进口端口302连接至第二腔室202b。
在一些实施方式中，清洁控制阀206可以在第一位置和第二位置之间的行程的中间部分处经过基本上完全关闭的位置。例如，在第一位置，阻挡件308可以维持高压进口端口302与腔室连接端口306a之间的流体通路以及腔室连接端口306b与低压出口端口304b之间的流体通路。在第二位置，阻挡件308可以维持高压进口端口302与腔室连接端口306b之间的流体通路以及腔室连接端口306a与低压出口端口304a之间的流体通路。在第一位置和第二位置之间的过渡可能涉及至少基本上关闭两个流体通路，以将腔室连接端口306a的连接从高压进口端口302改变到低压出口端口304a，并将腔室连接端口306b的连接从低压出口端口304b改变到高压进口端口302。流体通路至少可以在行程的中间部分处基本上关闭，以实现连接的改变。当流体在高压下操作时，打开和关闭阀可能会造成压力脉动(例如，水锤)，该压力脉动在高压突然被引入系统或从系统中移除时可以造成系统中的部件损坏。因此，当流体通路分别关闭和打开时，压力脉动可能发生在行程的中间部分。
在一些实施方式中，致动器303可以被配置为使阻挡件308沿清洁控制阀206的行程以可变的速度移动。当阻挡件308从第一位置移动到第二位置时，阻挡件308可以在穿越行程的第一部分时以高速率移动，该第一部分不涉及将流从高压进口端口302新引入到腔室连接端口306a、306b中。当阻挡件308在行程的中间部分处接近关闭位置时(例如，当阻挡件308在高压进口端口302连接和低压出口端口304a、304b连接之间的过渡期间遮挡腔室连接端口306a、306b时)，阻挡件308可以减速到低速率。在高压进口端口302与腔室连接端口306a、306b之一连通时，阻挡件308可以继续处于较低的速率。在穿越腔室连接端口306a、306b之后，随着阻挡件308接近第二位置，阻挡件308可以加速到另一高速率。行程中间部分处的低速率可以降低清洁控制阀206打开和关闭的速度，使清洁控制阀能够将高压逐渐引入腔室202a、202b中和/或从腔室中逐渐移除高压。
在一些实施方式中，活塞204a、204b的运动可以通过调节以下来控制：流体流的速率(例如，流入流体的速率)，和/或至少部分地随着清洁控制阀206的移动而造成的活塞204a、204b的清洁侧220a、220b与活塞204a、204b的污浊侧221a、221b之间的压力差。在一些实施方式中，可能期望通过操纵低压腔室202a、202b和高压腔室202a、202b的每个腔室中的压力差和/或通过控制流体进出腔室202a、202b的流速，来使低压腔室中的活塞204a、204b与高压腔室中的活塞204a、204b以基本上相同的速度移动。然而，低压腔室202a、202b中的活塞204a、204b可能倾向于以比高压腔室202a、202b中的活塞204a、204b大的速度移动。
在一些实施方式中，可以改变流体流的速率和/或压力差，以控制活塞204a、204b的加速和减速(例如，通过操纵和/或改变清洁控制阀206的行程，和/或通过用一个或更多个泵来操纵流体流中的压力)。例如，当活塞204a、204b在高压行程开始处位于腔室202a、202b的清洁端部224附近时，增加高压清洁流体210的流速和/或压力可以增加腔室202a、202b中的流体流的速率和/或压力差。增加流体流的速率和/或压力差可以使得活塞204a、204b加速到较快的速率或以较快的速率移动。在另一示例中，当活塞204a、204b在高压行程结束处接近腔室202a、202b的污浊端部226时，高压清洁流体210的流速和/或压力可以降低。降低流体流的速率和/或压力差可以使活塞204a、204b在到达相应腔室202a、202b的污浊端部之前减速和/或停止。
可以利用对清洁控制阀206的行程进行类似控制来防止活塞204a、204b行进至腔室202a、202b的清洁端部的最远范围。例如，清洁控制阀206可以在活塞204a、204b接触腔室202a、202b的清洁端部的最远范围之前关闭腔室连接端口306a、306b中的一个，从而防止任何其他流体流并减缓和/或停止活塞204a、204b。在一些实施方式中，清洁控制阀206可以在活塞204a、204b接触腔室202a、202b的清洁端部的最远范围之前打开一个腔室连接端口306a、306b，以与高压进气端口302连通，从而减缓、停止和/或逆转活塞204a、204b的运动。
如果活塞204a、204b到达相应腔室202a、202b的清洁端部224或污浊端部226，高压流体可以绕过活塞204a、204b并与低压流体混合。在一些实施方式中，将流体混合可能是期望的。例如，如果活塞204a、204b在高压行程期间到达相应腔室202a、202b的污浊端部226，高压清洁流体210可以绕过活塞204a、204b(例如，通过围绕活塞204a、204b行进或穿过活塞204a、204b中的阀)，从活塞204a、204b的表面冲洗掉任何残留的污染物。在一些实施方式中，将流体混合可能是不期望的。例如，如果活塞204a、204b在低压行程期间到达相应腔室202a、202b的清洁端部224，低压污浊流体212可以绕过活塞204a、204b并与低压清洁流体混合，使清洁控制阀206中的清洁区域被污浊流体污染。
在一些实施方式中，系统100可以防止活塞204a、204b到达相应腔室202a、202b的清洁端部224。例如，清洁控制阀206可以包括控制设备209(例如，传感器、安全装置、开关等)，以在检测到活塞204a、204b接近相应腔室202a、202b的清洁端部224时引发(trigger，触发)清洁控制阀206的位置变化，使得系统100可以利用清洁控制阀206来在活塞204a、204b到达腔室202a、202b的清洁端部224之前改变流动路径位置。
在一些实施方式中，系统100可以被配置为使活塞204a、204b能够在高压行程期间到达相应腔室202a、202b的污浊端部226。在一些实施方式中，清洁控制阀206可以包括控制设备209，以在检测到活塞204a、204b接近相应腔室202a、202b的污浊端部226时引发清洁控制阀206的位置变化。在一些实施方式中，控制设备可以被配置为使得控制阀206直到活塞204a、204b已经到达相应腔室202a、202b的污浊端部226的最远范围时才完成活塞204a、204b的方向改变。在一些实施方式中，控制设备可以包括通过编程延迟或机械延迟的时间延迟，使活塞204a、204b能够到达腔室202a、202b的污浊端部226的最远范围。
在一些实施方式中，系统100可以被配置为使活塞204a、204b能够在高压行程期间到达相应腔室202a、202b的污浊端部226，并防止活塞204a、204b在低压行程期间到达相应腔室202a、202b的清洁端部224。例如，系统100可以驱动活塞204a、204b两者通过相应的腔室202a、202b一选定距离，其中活塞204a、204b与清洁端部224维持一选定距离，该系统同时使活塞204a、204b能够行进以相对地较接近或接触到污浊端部226。在一些实施方式中，系统100可以被配置为使得在低压腔室202a、202b中跨活塞204a、204b的压力差可以小于在高压腔室202a、202b中跨活塞204a、204b的压力差，从而使活塞204a、204b在低压循环期间比高压循环期间行进得慢。
在一些实施方式中，控制设备209可以被配置为在检测到活塞204a、204b接近相应腔室202a、202b的清洁端部224时引发清洁控制阀206的位置变化，从而使清洁控制阀206可以在活塞204a、204b到达腔室202a、202b的清洁端部224之前改变位置。在一些实施方式中，控制设备209可以被配置为在检测到活塞204a、204b接近相应腔室202a、202b的污浊端部226时引发清洁控制阀206的位置变化。在一些实施方式中，控制设备可以被配置为通过在活塞204a、204b分别接近腔室202a、202b的清洁端部224和污浊端部226时评估这两个活塞，从而引发清洁控制阀206的位置变化。例如，控制设备209可以检测活塞204a、204b接近腔室202a、202b的污浊端部226，并开始计时器(例如，机械计时器、电子计时器、编程时间延迟等)。如果控制设备209在时间引发清洁控制阀206的位置变化之前检测到活塞204a、204b接近腔室202a、202b的清洁端部224，控制设备209可以取代(override，超越控制、超调、不顾、凌驾)计时器并改变清洁控制阀206的位置，以防止活塞204a、204b到达腔室202a、202b的清洁端部224。
在一些实施方式中，自动控制器可以产生信号，该信号可以被传输到清洁控制阀206，指示清洁控制阀206从第一位置移动到第二位置或者从第二位置移动到第一位置(例如，以恒定和/或可变的速率)。
参考图2，压力交换器200可以包括一个或更多个旁路特征件310(例如，在一个或更多个腔室202a、202b中和/或在一个或更多个活塞204a、204b中)，用于使流体绕过和/或通过活塞204a、204b。例如，活塞204a、204b可以包括旁路特征件310，用于使流体能够经过活塞204a、204b。在一些实施方式中，旁路特征件310可以与活塞204a、204b中的每一个相关联(例如，被定位在活塞204a、204b中)，其中旁路特征件310包括阀，诸如单向止回阀或另一类型的合适的阀，诸如上面列出的那些，该阀可以限制一个或更多个方向上的流，而使一个或更多个其他方向上的流得以实现。
在另外的实施方式中，腔室202a、202b可以限定全部或部分旁路特征件310。例如，旁路特征件310的全部都可以在腔室202a、202b中，或者可以部分地由腔室202a、202b限定并且部分地由活塞204a、204b限定。
如上所述，系统100可以使活塞204a、204b能够在行程期间到达相应腔室202a、202b的端部(例如，污浊端部226)。在这样的情况下，旁路特征件310可以使流体能够经过旁路特征件310，以便到达一个或更多个控制阀207a、207b、208a和208b(例如，在冲洗不足时向腔室202a、202b供应高压流体的溢流)。例如，系统100可以驱动活塞204a、204b两者通过相应腔室202a、202b一选定距离，使活塞204a、204b能够行进较接近或接触到端部226。当活塞204a、204b接近和/或接触到端部226时，旁路特征件310可以被激活(例如，通过克服偏置特征件)，并开始使流体能够围绕和/或经过旁路特征件310。例如，腔室202a、202b的端部226的阻塞和/或在活塞204a、204b接近端部226时增加的流体压力可以抵抗活塞204a、204b的进一步移动，对活塞204a、204b施加相反的力。当基本上不再利用流体流的力来移动活塞204a、204时，流体可以接着克服旁路特征件310(例如，当超过选定的压差时)，以便使流体流能够经过活塞204a、204b。
在这样的实施方式中，可以利用旁路特征件310将活塞204a、204b的一侧上的流体(例如，清洁流体)过度供应到腔室202a、202b中。流体可以经过活塞204a、204b的旁路特征件310到活塞204a、204b的另一侧。
同样如上所述，系统100可以防止活塞204a、204b在行程期间到达相应腔室202a、202b的端部(例如，清洁端部224)。然而，即使活塞204a、204b接近或到达端部224，旁路特征件310也可以防止流体经过旁路特征件310从而例如到达一个或更多个清洁控制阀206(例如，在低压污浊流体被过度供应到腔室202a、202b中的情况下)。
活塞204a、204b(例如，活塞204a、204b的外部直径)相对于腔室202a、202b的内部尺寸被设置大小，以使活塞204a、204b能够不受约束地经过腔室202a、202b，同时使活塞204a、204b周围的泄漏最少化(例如，使清洁流体的污染最少化)。活塞204a、204b相对于腔室202a、202b内部尺寸的几何形状可以通过使污浊流体中的支撑剂(例如，沙子)在活塞204a、204b之间行进并被截留以经过腔室202a、202b，从而使其最少化。
在一些实施方式中，活塞204a、204b可以包括耐磨蚀材料或者包括包含耐磨蚀涂层(例如，陶瓷、碳化物、金属、聚合物等)的材料。另外地，活塞204a、204b的材料可以被选择为表现出中等密度。这样的实施方式可以在流体中为活塞204a、204b提供至少一些浮力，从而减少由于活塞204a、204b的重力而可能对腔室202a、202b的底部造成的磨损。
图4是活塞400的等轴测视图，其中为清晰起见，旁路特征件401的一部分以透明视图示出。在一些实施方式中，活塞400和旁路特征件401可以类似于并包括上文关于图2所讨论的活塞204a、204b和旁路特征件310的一个或更多个部件。如图4所示，活塞400包括外部侧壁402(例如，径向侧壁)，其限定了活塞400的最外部范围(例如，外部直径)。
外部侧壁402可以围绕(例如，环绕)活塞400的包括旁路特征件401的内部部分。如图所示，活塞400可以包括限定在活塞400中的第一凹部404，从而使旁路特征件401被定位在活塞400的于凹部404的基部处的中央部分406处。活塞400的中央部分406可以被限定为具有开口408(例如，经过活塞400的中央部分406的一个、两个、三个、四个或更多个开口或通道)的网状件，该开口在旁路特征件401处于使流体能够经过活塞400的打开位置时使流体能够经过活塞400。
图5是活塞(例如，图4中所示的活塞400)的截面图。如图5所示，活塞400包括第一轴向端部410和第二相对的轴向端部412。第一凹部404(例如，具有柱形、锥形或截头锥形的形状)可以从第一轴向端部410延伸到活塞400中至中央部分406。第二凹部414(例如，具有柱形、锥形或截头锥形的形状)可以从第二轴向端部412延伸到活塞400中至中央部分406。
活塞400的中央部分406处的开口408可以在第一凹部和第二凹部404、414之间延伸并连接(例如，被放置处于流体连通)。
旁路特征件401可以被定位在活塞400的第一凹部和第二凹部404、414之间的中央部分406处。如图所示，旁路特征件401可以包括阀构件416，该阀构件接触并限定活塞400在第一凹部404中的部分(例如，中央部分406的座部部分418)之间的密封。如图所示，旁路特征件401可以包括单向止回阀。如上所述，在另外的实施方式中，旁路特征件401可以包括另一流体流限制特征，诸如多通止回阀或其他类型的阀。
在关闭位置(例如，如图5所示)，阀构件416可以接触座部部分418，并至少部分地防止(例如，基本上完全防止)流体经过开口408至第二凹部414。例如，在关闭位置，阀构件416可以防止流体从第一轴向端部410流向第二轴向端部412。
在一些实施方式中，阀构件416可以被偏置到关闭位置。例如，阀构件416可以耦接至安装结构422(例如，与阀构件416和弹簧420耦接的杆状件)上的偏置特征件(例如，弹簧420，诸如压缩弹簧、扭转弹簧、碟形弹簧、恒力弹簧、拉伸弹簧等)。安装结构422可以使阀构件416能够移动(例如，沿着活塞400的轴线)到打开位置，同时在从第二轴向端部412到第一轴向端部410的流体的力的作用下压缩弹簧420。当弹簧420的力克服了流体流的力时，弹簧420可以迫使阀构件416回到关闭位置。
在打开位置，阀构件416可以从座部部分418移动(例如，轴向移位)，并使流体能够从第二凹部414经过开口408至第一凹部404。例如，清洁流体可以从第二轴向端部412传到第一轴向端部410，该第一轴向端部410可以被定位在活塞400的污浊侧上，与污浊流体连通。在具有偏置特征件的实施方式中，阀构件416从座部部分418的移动可以对弹簧420进行压缩。
在一些实施方式中，可以选择活塞400的尺寸和/或几何形状(例如，靠近活塞400的最外部直径，以使活塞400和腔室202a、202b(图2)的磨蚀最少化。例如，活塞400可以在第一轴向端部410和第二轴向端部412中的一者或两者处包括倒棱边缘或表面424(例如，倒棱柱形壁)。倒棱表面424可以从相应的轴向端部410、412延伸到外部侧壁402。如图所示，在轴向端部410、412两者处，活塞400的最外表面的整体可以包括从轴向端部410、412导向至外部侧壁402的弧形连续表面。在一些实施方式中，包括倒棱表面424的活塞400可以用于在倒棱表面424处(例如，活塞400与腔室202a、202b的内壁之间的交界面)产生流体涡流，该涡流可以使颗粒悬浮在活塞400正在行进经过的流体中，以便至少部分地防止颗粒被楔入活塞400和腔室202a、202b之间(图2)。
如上所述，活塞400可以用于系统(例如，系统100)中，该系统可以感测或以其他方式监测活塞400的位置。在一些实施方式中，活塞400可以包括一个或更多个位置检测特征件，该位置检测特征件使得能够通过例如传感器(例如，接触式或非接触式传感器，诸如磁传感器、光学传感器、电感式近距离传感器、霍尔效应传感器、超声传感器、电容式近距离传感器、接触件、按钮、开关等)来检测活塞400的存在。例如，活塞400可以包括一个或更多个位置检测特征件，该位置检测特征件包括被绕活塞400(例如，绕活塞400的环周以间隔间隔开)定位的一个或更多个磁体426(例如，相对较强的永磁体)。磁体426产生的磁场可以由互补式传感器(例如，线性压力交换器200(图2)的控制系统的一部分)检测，以确定活塞400的位置(例如，通过传感器检测活塞400的经过)。
压力交换器可以减少在具有磨蚀性、腐蚀性或酸性流体的系统中高压泵、涡轮机和阀所经历的磨损量。减少的磨损可以允许系统以较少的停机时间运行较长的时间段，从而增加系统的收益或生产力。另外地，由于较少的零件可能被磨损，可以降低维修成本。在高温下使用磨蚀性流体的作业诸如压裂作业中，维修和停机时间可以在一次作业中造成数百万美元的损失。本公开内容的实施方式可以使得在高温下使用磨蚀性、腐蚀性或酸性流体的系统的部件所经历的磨损减少。磨损的减少将使得成本降低且收益产量增加。
根据本公开内容的一些实施方式的活塞可以用于使来自活塞一侧的流体(例如，压裂流体)对来自活塞另一侧的流体(例如，清洁流体)的污染最少化。此外，活塞可以使流体能够流过活塞的阀，从而使流体能够在一个方向上流动(例如，使清洁流体流向活塞的污浊侧)，同时禁止流体在另一方向上流动(例如，防止污浊流体行进至活塞的清洁侧)。活塞的几何形状和/或材料可以进一步减少活塞在移动经过腔室时的磨蚀，同时使绕活塞的不必要流体流和卡在活塞外部环周周围的颗粒最少化。另外地，几何形状可以产生流体涡流，该流体涡流可以使颗粒悬浮在活塞正在行进经过的流体中，以便至少部分地防止颗粒被楔入活塞和腔室之间。最后地，活塞可以包括用于使得能够检测活塞位置的一个或更多个特征。
尽管本公开内容在本文中已经关于某些例示的实施方式进行了描述，但本领域技术人员将认识到并理解本公开内容并不限于此。而是在不背离权利要求书中所要求保护的包括其法定等同物的公开内容的范围的情况下，可以对例示的实施方式进行许多添加、删除和修改。另外地，来自一个实施方式的特征可以与另一实施方式的特征相结合，同时仍然被包含在本发明人所设想的公开内容的范围内。

Claims (20)

1.一种用于在流体之间交换至少一种特性的设备，所述设备包括：
至少一个罐，所述罐包括：
第一侧，所述第一侧用于接收具有第一特性的第一流体；以及
第二侧，所述第二侧用于接收具有第二特性的第二流体；以及
在所述至少一个罐中的至少一个活塞，所述至少一个活塞被配置为将所述第一流体与所述第二流体分离，所述至少一个活塞还被配置为基本上禁止所述第二流体从所述第二侧行进至所述第一侧，所述至少一个活塞包括旁路特征件以用于使流体能够经过所述至少一个活塞从所述第一侧到所述第二侧。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个活塞的所述旁路特征件包括阀，所述阀被配置为使得所述第一流体能够从所述第一侧行进至所述第二侧，并基本上禁止所述第二流体从所述第二侧通过所述阀行进至所述第一侧。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个活塞的至少一个端部包括倒棱边缘部分，所述倒棱边缘部分被配置为在所述至少一个活塞和所述至少一个罐的内壁之间的交界面处产生流体涡流，以使进入所述至少一个活塞和所述至少一个罐的内壁之间的交界面的颗粒最少化。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，还包括至少一个传感器，所述至少一个传感器被配置为检测所述至少一个活塞的存在。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，还包括被定位在绕所述至少一个活塞的环周的位置处的至少一个磁体，所述至少一个磁体被配置为产生磁场以供相关联的传感器感测。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，所述至少一个活塞被配置为基本上禁止所述第二流体从所述第二侧通过所述至少一个活塞行进至所述第一侧。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，所述至少一个活塞被配置为使得所述第一流体能够从所述第一侧行进至所述第二侧。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，还包括阀设备，所述阀设备被配置为选择性地将处于第一压力的所述第一流体通过所述至少一个活塞与处于第二压力的所述第二流体连通，以便将所述第二流体加压到较高的压力。
9.一种用于在流体之间交换压力的系统，所述系统包括：
至少一个罐，所述罐包括：
清洁侧，所述清洁侧用于接收处于较高压力的清洁流体；以及
污浊侧，所述污浊侧用于接收处于较低压力的井下流体；
设置在所述至少一个罐中的至少一个活塞，以及所述至少一个活塞被配置为仅基于由所述清洁流体或所述井下流体中的至少一者施加至所述至少一个活塞的力而在所述至少一个罐内不受约束地行进，所述至少一个活塞被配置为将所述清洁流体与所述井下流体分离，所述至少一个活塞还被配置为至少部分地禁止所述井下流体从所述污浊侧行进至所述清洁侧并且使得所述清洁流体从所述清洁侧行进至所述污浊侧；以及
线性致动阀设备，所述线性致动阀设备被配置为选择性地将处于较高压力的所述清洁流体通过所述至少一个活塞与处于较低压力的所述井下流体连通，以便将所述井下流体加压到第二较高压力。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述至少一个活塞被配置为基本上禁止所述井下流体从所述污浊侧通过所述至少一个活塞行进至所述清洁侧。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述至少一个活塞包括旁路特征件以用于使得所述清洁流体经过所述至少一个活塞的中心部分。
12.根据权利要求9所述的系统，其中，所述至少一个活塞包括被定位在所述至少一个活塞内的阀，所述阀被配置为使得所述清洁流体能够从所述清洁侧行进至所述污浊侧，并基本上禁止所述井下流体从所述污浊侧通过所述阀行进至所述清洁侧。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的系统，其中，所述至少一个活塞的外部环周包括：倒棱部，所述倒棱部在所述至少一个活塞的第一轴向端部和所述至少一个活塞的径向侧表面之间延伸；以及另一倒棱部，所述另一倒棱部在所述至少一个活塞的第二轴向端部和所述至少一个活塞的所述径向侧表面之间延伸。
14.根据权利要求9至12中任一项所述的系统，其中，所述至少一个活塞的外部环周被定大小为和被配置为使所述至少一个活塞能够行进经过所述至少一个罐，同时至少部分地防止所述井下流体中的支撑剂在所述至少一个活塞的外部环周和所述至少一个罐的内表面之间行进。
15.一种用于至少部分地分离至少两个流体流的活塞，所述活塞包括：
本体，所述本体具有沿所述本体的轴线延伸的开口，所述开口限定了经过所述活塞的流体通路，所述本体被配置为基于由至少一个流体施加的或在罐内施加的力在所述罐内不受约束地行进；以及
阻塞所述开口的至少一个阀，所述至少一个阀被配置为使流体能够在沿所述流体通路的一个方向上流过所述开口，并且至少部分地抑制流体在沿所述流体通路的另一相反方向上流过所述开口，其中，所述至少一个阀包括朝向所述一个方向偏置到关闭位置的止回阀。
16.根据权利要求15所述的活塞，其中，所述开口在所述本体的第一端部上限定第一凹部以及在所述本体的第二端部上限定第二凹部，所述第一凹部和所述第二凹部被所述至少一个阀分离。
17.根据权利要求15或权利要求16所述的活塞，其中，所述至少一个阀包括止回阀，所述止回阀朝向所述一个方向偏置到关闭位置。
18.根据权利要求17所述的活塞，其中，所述止回阀被配置为：当在所述一个方向上行进的流体克服所述止回阀的偏置力时，所述止回阀移动到打开位置。
19.根据权利要求15或权利要求16所述的活塞，其中，所述活塞包括被配置为在流体中至少部分地有浮力的抗磨蚀材料。
20.一种操作压力交换设备的方法，所述方法包括：
向阀的高压进口供应高压流体，所述阀被配置为将高压流体的流引导至腔室；
通过所述腔室中的活塞，将压力从高压流体转移到污浊流体；
使一些高压流体能够经过活塞；以及
基本上禁止所述污浊流体经过所述活塞进入高压流体。
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